吸附材料

北京科技大学

《环境材料学》报告

题目：__活性炭吸附材料简介_____________ 班级：_______ _______________

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2012年 10 月 18 日

活性炭吸附材料简介

摘要：概述了活性炭材料的表面结构性质和表面化学性质与活性炭材料的改性，就活性炭

材料在环境污染处理中的应用进行了一些综述。

关键词：活性炭材料活性炭

1.活性炭材料的简介

1.1 活性炭的发展

可大致分为三个阶段：

(1)第一阶段，从20世纪初到约20世纪20年代为萌芽阶段:

(2)第二阶段，从约20世纪20年代中期为中期为成长阶段;

(3)第三阶段，从20世纪中期到20世纪末期为发展阶段，发展成为环保大应用阶段。

这三个阶段可用活性炭应用历程中两件历史性大事。作为划分的界限。

第一件大事使活性炭防毒面具，在20世纪20年代在第一次世界大战中的应用。可以次作为划分活性炭应用历史的第一阶段和第二阶段的界限。

活性炭在初期主要应用使粉炭在糖业中逐步代替了原来的骨炭。在20世纪20年代的第一次世界大战中出现的颗粒大量应用于防毒面具。这是工业化学史辉煌的一页。当时荷兰的Norit和捷克斯洛伐克、德国、法国、瑞士等国的制造商和批发商曾成立一个联合公司，说明在欧洲萌芽的活性炭也是广为看好的新兴产业。

通过防毒面具应用的推动，活性炭历史进入了第二阶段，活性炭市场不断扩大，活性炭的吸附和催化功能在众多行业的精制、回收、合成上的应用陆续开发，美国等的活性炭厂陆续开设。在20世纪中叶不断拓展应用面的活性炭，被视为“万能吸附剂”。

第二件大事是活性炭除臭作用，在20世纪40年代数以百计的自来水厂中采用了活性炭除臭。以此作为划分活性炭应用历史的第二阶段与第三阶段的界限。

1927年美国芝加哥自来水厂发生了广大居民难以接受的自来水恶臭事故，这是由于原水中的苯酚和消毒用的氯生成异臭所致。德国等地的自来水厂也发生了同样的事故，这些事故都是用活性炭来解决的。

此后，随着环境保护日益受到重视，政府法令的日趋严格。活性炭不仅在净水方面，而且在净气等方面的用量剧增，使得在20世纪的后半叶，环保产业成为活性炭应用的大户。由此活性炭历史进入了第三阶段，即发展阶段。

1.2活性炭的组成、结构和性质

活性炭的组成元素因原料而异，大致含炭90%~95%，含氧2%~5%，含氢在1.5%以下，几乎不含氮和硫。如果以木材类作原料，活性炭中含金属化合物

1%~2%，以煤作原料时，金属化合物的含量很高，达5%~10%。

活性炭是非晶体物质，由排列成六边形的碳原子平面层组成，这些平面层的排列不是类似于石墨的结构，而是杂乱且无规律地排列成“螺层状结构”。

活性炭是一种多孔炭材料，具有高度发达的孔隙结构和巨大的比表面积，吸附能力强、化学稳定性好、机械强度高、使用失效后易再生等特点。

1.3 活性炭的分类

（1）按原料来源分 ,可分为木质活性炭(如椰壳活性炭、杏壳活性炭、木质粉炭等)、矿物质原料活性炭(各种煤和石油及其加工产物为原料制成的活性炭)、其它原料制成的活性炭(如废橡胶、废塑料等制成的活性炭)。

（2）按制造方法分，可分为：①化学法活性炭(化学炭) ：用化学法生产的活性炭又称为化学法活性炭或化学炭。一般说来，化学炭的孔隙中次微孔、中孔（即孔直径或孔宽大于1.5纳米的孔隙）较发达，主要用于液相吸附精制和溶剂回收的气相（蒸汽）吸附场合。②物理法活性炭：物理法制造的活性炭叫物理法活性炭，也称作物理炭。一般说来物理炭的微孔（孔直径或孔宽小于1.5纳米的孔隙）发达，主要用于气相吸附场合或小分子液相吸附场合。

（3）按外观形状分可分为：①粉状活性炭：一般将90%以上通过80目标准筛或粒度小于0.175mm的活性炭通称粉状活性炭或粉状炭。②颗粒活性炭：通常把粒度大于0.175mm的活性炭称作颗料活性炭。颗料活性炭又分为下列几种： a）不定型颗料活性炭：一般由颗料状原料经炭化、活化，然后破碎筛分至需要粒度制成，也可以用粉状活性炭加入适当的粘结剂经适当加工而成。 b）圆柱形活性炭：又称柱状炭，一般由粉状原料和粘结剂经混捏、挤压成型再经炭化、活化等工序制成。也可以用粉状活性炭加粘结剂挤压成型。柱状炭又有实心和中空之分，中空柱状炭是柱状炭内有人造的一个或若干个有规则的小孔。 c）球形活性炭：故名思义是园球形的活性炭，它的制取方法与柱状炭类似，但有成球过程。也可以用液态含碳原料经喷雾造粒、氧化、炭化、活化制成，还可以用粉状活性炭加粘结剂成球加工而成。球形活性炭也有实心和空心球形活性炭之分。

③其它形状的活性炭：除了粉状活性炭和颗粒活性炭两大类外，还有其他形状的，如活性炭纤维、活性炭纤维毯、活性炭布、蜂窝状活性炭、活性炭板等等。2. 活性炭的制备

2.1 物理法

首先对原料进行炭化, 即含碳有机物在热的作用下发生分解, 非碳元素以挥发分的形式逸出, 生成富碳的固体热解产物, 然后用水蒸气、二氧化碳或空气等氧化性气体活化, 使热解产物形成发达的微孔结构。炭化温度一般为60 ℃ , 活化温度一般在

800 一900 ℃之间。目前国内多采用物理活化法制备煤基活性炭。

其活化基理是：物理活化反应的实质是碳的氧化反应, 但碳的氧化反应不是在碳的整个表面均匀地进行, 而仅仅发生在“活性点”上, 即与活化剂亲和力较大的部位才发生反应。活化反应在活性炭细孔形成过程中有3 个作用：

l) 开孔作用：炭化时形成的孔隙由于被焦油或其他分解生成的无定型炭所堵塞, 造成了闭孔, 使被吸附分子无法进人孔隙, 所以无吸附能力。活化时, 由于这些焦油或无定型炭与气体活化剂反应而被除去, 使闭孔打开, 比表面积增大。

2 ) 扩孔作用：由于孔隙内比表面积的一部分与活化剂反应生成二氧化碳或一氧化碳气体排出, 使原有的孔隙直径增大。

3 )某些结构经选择性活化而生成新孔。

2.2 化学法

先用氯化锌、磷酸、硫酸等化学试剂浸渍含碳的原料, 然后在一定温度, 惰性气体保护下直接得到活性炭。这些活化剂多数具有脱水作用,从而有利于炭质材料在活化过程中产生大量微孔。近年来, 人们又探索出用氢氧化钠、氢氧化钾、硫酸、硫化